The role of the actin-regulatory proteins Coronin 1A and Coronin 1B in the regulation of natural killer cell development and function

Jenckel, André

NK cells play an important role in the clearance of viral and intracellular bacterial infections as well as in the elimination of tumor cells and have also been implicated in the regulation of other immune cells. Recent work demonstrates a crucial role of actin cytoskeletal-activities in controlling NK cell function. In eukaryotic cells, the maintenance of the actin cytoskeleton and its quick remodeling in response to various stimuli is orchestrated by a cohort of actin-associated proteins. Coronin proteins are part of this complex network of actin-regulatory proteins and, as such, have been implicated in various actin-mediated cellular activities in different cellular systems. However, the role of coronins in the control of NK cell functions is yet unknown. In this thesis, I provide genetic evidence for an important role of two mammalian coronins, coronin 1a (Coro1a) and coronin 1b (Coro1b), in the regulation of NK cell development and function. By utilizing gene deficient mice I could demonstrate that the loss of Coro1a-function was directly linked to dysregulated F-actin organization in NK cells. While Coro1a-/- mice had normal numbers of peripheral NK cells, Coro1a-/- NK cells generally were of a more immature phenotype compared to wild type counterparts. The impaired NK cell maturation in Coro1a-/- mice was additionally associated with developmental alterations in the bone marrow. Although the single loss of Coro1b-function did not affect NK cell development and maturation, the immature phenotype of Coro1a-/- NK cells was further augmented by the additional loss of Coro1b. In vitro, IL-15 expanded Coro1a-/- and Coro1a-/-Coro1b-/- NK cells exhibited a comparable maturation status as wild type NK cells, but showed clear defects in central NK cell functions like killing of tumor cells, chemokine induced migration and cytokine secretion. The decreased cytotoxicity of Coro1a-/- and Coro1a-/-Coro1b-/- NK cells was associated with an impaired polarization of cytolytic granules and a reduced NK cell degranulation, whereas no major defects were found in early steps of the cytolytic response, including the formation of the cytolytic synapse and the consequent activation of NK cells. Thus, distinct actin associated processes involved in NK cell activities have different requirements on coronin proteins and the actin cytoskeleton. In conclusion, this study expands our knowledge on the function of actin-regulatory coronin proteins, by demonstrating that they do not only regulate known actin-dependent processes in NK cells, such as cell migration and cytotoxic granule release, but also control NK cell development. As coronin proteins and actin regulation are highly conserved between mice and man, the results obtained from this study are relevant for the human system. Thus, defective NK cell responses may contribute to the clinical symptoms observed in SCID patients with an inborn defect of Coro1a.

NK-Zellen übernehmen wichtige Aufgaben in der Abwehr viraler und intrazellulärer bakterieller Infektionen sowie bei der Eliminierung von Tumorzellen. Des Weiteren tragen sie zur Regulation anderer Immunzellen bei. In aktuellen Publikationen konnte gezeigt werden, dass das Aktin-Zytoskelett eine entscheidende Funktion bei der Kontrolle von NK Zell-Aktivitäten übernimmt. In eukaryotischen Zellen werden die Aufrechterhaltung und der Umbau des Aktin-Zytoskeletts durch eine Vielzahl von Aktin-assoziierten Proteinen gesteuert. Einen wichtigen Bestandteil dieses komplexen Netzwerkes Aktin-regulierender Proteine bilden die Coronine. Diese werden mit der Regulation einer Vielzahl Aktin-vermittelter Prozesse in unterschiedlichen Zellsystemen in Verbindung gebracht. Eine Beteiligung von Coroninen an der Steuerung von NK Zell-Funktionen ist bisher jedoch unbekannt. In dieser Arbeit konnte ich durch die Verwendung von Gen-defizienten Mausstämmen eine wichtige regulative Rolle zweier Säugetier Coronine, genauer Coronin 1a (Coro1a) und Coronin 1b (Coro1b), für die Entwicklung und Funktion von NK Zellen nachweisen. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass der Verlust der Funktion von Coro1a in direkter Verbindung mit einer fehlgesteuerten Aktin-Zytoskelett-Organisation in NK Zellen steht. Coro1a-defiziente Mäuse wiesen eine normale Anzahl peripherer NK Zellen auf, diese waren jedoch im Vergleich zu den Wildtyp-Kontrollen durch einen generell unreiferen Phänotyp gekennzeichnet. Ein vergleichbarer Effekt bezüglich des Reifegrades von Coro1a-/- NK Zellen wurde auch im Knochenmark beobachtet. Dieser war jedoch zusätzlich mit einer Steigerung der Anzahl der Coro1a-defizienten NK Zellen und somit einer veränderten NK Zell-Entwicklung im Knochenmark assoziiert. Der alleinige Verlust von Coro1b hatte hingegen keine Auswirkung auf die Entwicklung und Reifung der NK Zellen, jedoch wurde der unreife Phänotyp Coro1a-defizienter NK Zellen durch den zusätzlichen Verlust von Coro1b weiter verstärkt. IL-15-expandierte Coro1a-/- und Coro1a-/-Coro1b-/- NK Zellen zeigten im Vergleich zu Wildtyp-Zellen einen ähnlichen Reifegrad, wiesen allerdings in in vitro Studien klare Defizite bezüglich zentraler NK Zell-Funktionen wie der Abtötung von Tumorzellen, der Chemokin-induzierten Migration und der Zytokinfreisetzung auf. Die geminderte Zytotoxizität der Coro1a-/- und Coro1a-/-Coro1b-/- NK Zellen war assoziiert mit einer verringerten Polarisierung zytolytischer Granula sowie einer reduzierten NK Zell-Degranulation. Hingegen konnten keine nennenswerten Defekte im Bereich der frühen zytolytischen Antwort bezüglich einer gestörten Ausbildung der zytolytischen Synapse und einer daraus resultierenden verminderten Aktivierung der NK Zellen nachgewiesen werden. Daraus lässt sich schließen, dass Coronine und das Aktin-Zytoskelett differentiell bei unterschiedlichen Aktin-vermittelten Prozessen beansprucht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit das Wissen um Aktin-regulierende Coronine erweitern, indem gezeigt wird, dass nicht nur nachweislich Aktin-abhängige Prozesse wie die Zellmigration und die Freisetzung zytotoxischer Granula durch diese Proteine in NK Zellen reguliert werden sondern zusätzlich auch die Entwicklung von NK Zellen durch Coronine gesteuert wird. Da die untersuchten Coronin-Proteine sowie generelle Aktin-regulierende Prozesse zwischen Maus und Mensch stark konserviert sind, sind die Ergebnisse dieser Arbeit ebenfalls für das humane System relevant. Fehlerhafte NK Zell-Antworten könnten somit als weitere Ursache für die klinischen Symptome in SCID Patienten, die einen angeborenen Coro1a-Defekt aufweisen, verantwortlich sein.

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Jenckel, André: The role of the actin-regulatory proteins Coronin 1A and Coronin 1B in the regulation of natural killer cell development and function. 2014.

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